透水混凝土微細觀凍融損傷研究進展

趙洪凱，耿慶林，任偉

(吉林建筑大學 材料科學與工程學院，吉林 長春 130118)

隨著海綿城市的提出，引來社會各界廣泛關注，將海綿城市下透水混凝土應用到城市建設規(guī)劃中，在居住區(qū)建筑、道路、綠化等方面有著極大的應用空間，對提高水資源利用、緩解城市內澇災害以及推動城市健康發(fā)展具有重要的意義[1-2]。但透水混凝土與傳統(tǒng)路面相比強度較低，因此僅限用于人行道、停車場等低交通量道路鋪設[3]。與此同時，內部的多孔結構使其極易遭受水凍結而產生壓力破壞[4-5]，使整體耐久性變差，外加上除冰鹽[6]、外部荷載[7]以及干濕循環(huán)[8]與凍融的耦合作用，導致微細觀形態(tài)下凍融損傷呈多樣性，造成其在嚴寒地區(qū)很難大面積推廣使用。而在我國有相對較大地區(qū)位于嚴寒地帶，并有不少透水混凝土路面均產生了凍融破壞，導致耐久性急劇下降。為進一步推進海綿城市建設，對透水混凝土微細觀凍融損傷機理及凍融損傷因素等研究進展進行總結是非常必要的。通過系統(tǒng)綜述透水混凝土凍融損傷相關問題，旨在為我國透水混凝土抗凍性方面的理論研究提供一定參考。

1 透水混凝土細觀凍融損傷機理

透水混凝土(Pervious Concrete,簡稱PC)的抗凍性是反映其耐久性的重要指標之一，當透水路面在經歷長時間凍融破壞時，會發(fā)生表層剝落、疏松等破壞現(xiàn)象，嚴重時會引起強度下降甚至直接斷裂，目前對于透水混凝土凍融損傷機理的解釋主要為水泥漿體的破壞和骨料水泥界面的破壞。對于水泥漿體的破壞，美國學者T C Powers等提出的靜水壓和滲透壓理論最為認可。對于骨料水泥界面的破壞，向君正等[9]采用掃描電鏡(SEM)觀察透水混凝土微觀形態(tài)變化，發(fā)現(xiàn)經100次凍融循環(huán)后水泥漿體的質量、強度、孔結構并沒有產生很大變化，而界面處在凍融循環(huán)下使骨料水泥之間產生裂縫并持續(xù)擴展，因此推翻了透水混凝土凍融循環(huán)下水泥漿體優(yōu)先破壞理論，并說明凍融損傷主要來源于骨料水泥界面的劣化。骨料水泥界面破壞的觀點與文獻[10-11]說法一致。

2 透水混凝土凍融損傷評價依據

透水混凝土由于內部多孔，所以會產生較大的凍融損傷，在經歷凍融循環(huán)后斷裂韌度以及斷裂能均會急劇下降[12]。凍融對透水混凝土的力學性質也有很大的影響，其主要表現(xiàn)為：抗壓、抗彎、斷裂韌度和質量損耗等方面宏微觀損傷。對于再生骨料透水混凝土(RAPC)，在同樣的凍融循環(huán)下，RA的替代率愈高，其相對動彈性模量及強度的下降幅度愈大，依次為抗折強度>抗壓強度>相對動彈模量[13-14]。現(xiàn)階段對于透水混凝土凍融損傷評估大多集中于質量損失率和相對動彈性模量。

有研究發(fā)現(xiàn)，在凍融循環(huán)中，透水混凝土的相對動彈性模量降低速度要快于質量損失，并認為應以相對動彈性模量來衡量其抗凍融性[4,15]。劉肖凡等[16]認為凍融循環(huán)評價應該以質量損失率為主，相對動彈性模量為輔。而吉林大學羅國寶[17]則認為透水混凝土具有高的孔隙度，凍融造成的損傷多會被其多孔結構所遮蔽，且在測試期間，由于試樣的質量通常變化較小；因此，在凍融期間，當試樣的表面有明顯裂紋時，應記錄此時凍融循環(huán)次數(shù)。

3 影響透水混凝土凍融損傷的主要因素

影響透水混凝土凍融損傷的因素有很多，如透水混凝土有無外加劑、有無礦物細摻料、水灰比和骨料粒徑等，除了以上材料組成方面，透水混凝土凍融循環(huán)下界面過渡區(qū)、宏微觀孔隙及孔結構與凍融損傷也存在一定的關系。

透水混凝土孔隙主要由宏觀孔隙和微觀孔隙組成，兩者都會隨著凍融循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸受到破壞，導致強度降低，抗凍性下降。對于微觀孔隙，有研究表明其微孔大小與耐久性有直接關系[18]；且透水混凝土在凍融過程中，膠凝材料中的微孔隙水由于凍結而發(fā)生擴張，必須沿著樣品的邊緣擠壓過多的水分或使其擴張，從而形成裂紋，造成凍融損傷[19]；在凍融循環(huán)過程中，膠凝材料中孔結構50～200 nm微孔先急劇減少后增多，20～50 nm微孔則表現(xiàn)相反[9]。對于宏觀孔隙，石廣順[20]運用有限元分析了在不同形狀的孔內凍脹破壞，發(fā)現(xiàn)在上部表層處的封閉孔內，圓孔的凍結膨脹應力峰正好在其表面上方，而多邊形在幾何棱角處；相鄰閉合孔隙附近存在著一個應力損傷區(qū)，“貫通”損傷區(qū)的孔隙更易發(fā)生裂紋和脫落。

透水混凝土的多孔結構相比與普通混凝土，其骨料與膠凝材料間的界面過渡區(qū)更容易遭受凍融而產生損傷。Vancura等[21]通過對嚴寒區(qū)域路面測試，認為骨料與膠凝材料接觸面存在可能為凍融引起的裂縫，從而推測出其凍融劣化是由界面過渡區(qū)引起。向君正等[9]采用SEM技術對透水混凝土的表面形態(tài)演化進行了研究，發(fā)現(xiàn)透水混凝土骨料水泥界面由于凍結膨脹和溫度應力的綜合影響會形成裂紋，裂紋不斷擴展，從而影響抗凍性。

透水混凝土宏微觀孔隙和界面過渡區(qū)均會不同程度影響透水混凝土抗凍性，宏微觀孔隙結構和界面過渡區(qū)是影響透水混凝土抗凍性的關鍵因素，原材料則是制備凍融性能優(yōu)良透水混凝土的首要因素。優(yōu)選原材料主要是為了提升透水混凝土宏微觀孔隙結構和界面過渡區(qū)性能，從而優(yōu)化透水混凝土抗凍性，減緩凍融損傷。

4 透水混凝土凍融損傷的改善措施

透水混凝土的凍融損傷優(yōu)化主要從原材料入手，改善其內部結構，從而間接緩解凍融損傷程度。

對于礦物摻合料，現(xiàn)有研究表明硅灰、納米SiO2、粉煤灰、粒化高爐礦渣、礦粉等作摻合料可使微觀結構孔隙較大程度的被填充，對于界面過渡區(qū)的增強有顯著效果；且何銳等[22]發(fā)現(xiàn)硅灰對于膠凝材料的增強要大于粉煤灰、礦粉。Bilal等[23]認為水泥水化物中的鈣離子浸出是導致透水混凝土耐久性退化的主要原因，硅灰和偏高嶺土可有效抑制水泥水化物中鈣離子浸出。Tarangini等[24]通過納米二氧化硅(NS)等質量替代水泥制備透水混凝土，發(fā)現(xiàn)NS的摻入可以充分優(yōu)化孔結構，使微孔被填充更密實。

對于骨料，周書林等[25]認為透水混凝土凍融損傷會隨著砂取代率的增加，內部孔隙的凍脹力得到降低，從而可以有效降低抗壓強度損失率，且經100次凍融循環(huán)后，8%砂取代率情況下抗壓強度損失率最低。付建等[26]認為45%橡膠顆粒摻入混凝土時，其表觀密度會降低13.5%，抗壓強度降低53.1%。Liu等[27]發(fā)現(xiàn)橡膠顆粒粒徑越小其比表面積越大，高比表面積的橡膠會產生大量的微孔隙，有助于凍結而增加的水量被更好的吸收，從而減少凍融造成的破壞。Kevern等[28]直接使用預濕輕骨料替代部分細骨料制備透水混凝土，發(fā)現(xiàn)預濕骨料會對透水混凝土實施一定的內養(yǎng)護，90 d水化程度可增加約10%，從而可以有效提高其抗凍性。

對于聚合物改性，Zou等[29]在保證透水混凝土抗壓強度不降低的前提下，利用硅烷改性提高凍融耐久性，發(fā)現(xiàn)硅烷表面改性再生骨料可以形成疏水硅膜防止水分在骨料表面積聚，從而會使骨料水泥界面形成致密結構和更多C-S-H凝膠，提高抗凍性；然而硅烷水泥基體整體改性雖然也會對抗凍性增強，但由于水泥顆粒表面存在疏水性酮膜，水泥水化受到限制，水泥基體孔隙率增加，導致性能下降。鄭斌等[30]通過硅酸鹽-硅烷改性用于普通混凝土制備，發(fā)現(xiàn)經處理后的混凝土內結構密實，表面也會生成疏水膜，從而可以有效提升抗凍性能。

對于引氣劑，高鵬[31]認為加入引氣劑摻量(最佳摻量0.06%)會直接影響水泥基內部氣孔間距，當水泥基內部氣孔孔間距適當時，在不過大破壞水泥基強度的前提下，可以釋放凍融循環(huán)引起的膨脹應力；但當孔間距過小，孔洞密度過大時，會使水泥基的強度降低過多。

對于增強劑，姜騫等[32]認為隨著增強劑摻量的增加，凍融而導致的質量損失率得到有效降低，對抗凍性有一定的改善作用，以標準樣品為基礎，8 kg/m3增強劑加入透水混凝土可增加約25個凍融循環(huán)；增強劑會在初期消耗大量的氫氧化鈣，從而加速水泥的水化，使?jié){體更加密實，漿體和ITZ處微觀孔隙被逐步填充，相比于后期，前期強化效果(1 d增加50%左右)更加顯著。

對于抗裂劑，Chen等[33]在鋼渣透水混凝土(SSPC)中加入抗裂劑(ACA)，研究SSPC與ACA的力學性能和微觀特性的關系，通過X射線衍射儀、傅里葉紅外光譜儀中發(fā)現(xiàn)水化產物大多含有C-S-H和Ca(OH)2，ACA含量越高，C-S-H的聚合度越高，從而有助于提高SSPC強度、抗裂性和耐久性，0.3%的ACA用量最佳。

對于纖維，楊航[34]使用聚丙烯纖維和玄武巖纖維單摻復摻研究其對透水混凝土抗凍性的影響，發(fā)現(xiàn)聚丙烯纖維可以一定程度上阻止凍融過程中水泥石的脫落，玄武巖纖維大多呈現(xiàn)豎狀布置因此導致脫落后的孔隙較大，但兩者復摻可以有效提高抗裂性，從而減緩凍融破壞的速率。Nassiri等[35]通過固化碳纖維復合材料(CCFCM)研究其對透水混凝土抗凍性的影響，結果表明，摻入體積比為1%或2%的 CCFCM 均可以顯著提高抗凍性。

對于成型方式，Li等[36]通過振動臺、馬歇爾壓實和超穴旋轉壓實機( SGC )三種方法制備了3種目標孔隙率的透水混凝土試樣,研究成型方式對試樣物理性能、力學性能和耐久性能的影響，發(fā)現(xiàn)馬歇爾壓實和SGC壓實會使混凝土強度和膠凝材料均勻分布，以及過程中的顆粒尺寸分布均勻，其中SGC是獲得高滲透性、抗凍融性好、強度高的混凝土的最佳選擇,其次是馬歇爾擊實成型,最后是振動成型。

5 透水混凝土凍融損傷與其他因素耦合作 用的研究

5.1 凍融與除冰鹽耦合作用

城市道路為了防止冬季積雪結冰，通常會在路面撒鹽降低冰點去除冰雪，而鹽分的濃度差受凍時會因分層結冰而產生滲透壓造成破壞。一般來說，水凍對透水混凝土初期凍融損傷影響較大，而除冰鹽對透水混凝土后期凍融損傷影響較大。對于除冰鹽濃度，F(xiàn)eng等[37]研究高強自密實透水混凝土(SCPC)在不同除鹽濃度下抗凍性。發(fā)現(xiàn)浸泡在20%NaCl溶液中的SCPC相較于3%NaCl溶液中凍融損傷不明顯。對于除冰鹽破壞程度，Tsang等[38]用氯化鈣水溶液、氯化鈉溶液、氯化鎂溶液、清水等不同的冷凍融化作用對透水混凝土的凍結、融化過程進行了研究。研究發(fā)現(xiàn)，在同等的條件下，氯化鈉和氯化鈣對透水混凝土的破壞最為明顯;在經過50次的凍融后，樣品的重量損失可達到5%,經過100次凍融后，其重量損失超過20%。針對氯化鎂除冰，Almeida等[39]提出了一種可以降低氯化鎂對透水混凝土損傷的方法，認為經過碳酸氫鈉( NaHCO3)溶液處理后的透水混凝土，可以阻礙MgCl2除冰劑與水泥砂漿中氫氧化物之間的化學反應，提高其抵抗氯化鎂侵蝕能力。

不同除冰鹽對于透水混凝土微觀孔隙會產生不同程度的損傷，使骨料與凝膠體之間的黏結強度降低，漿體逐漸變得松散。大量研究表明，氯化鈣對于透水混凝土的損害最大；而高濃度的除冰鹽需達到較低的冰點才會結冰，從而對內部孔隙結構施加滲透壓，所以較低濃度的除冰鹽(2%～8%)更易造成凍融破壞。

5.2 凍融與疲勞荷載耦合作用

凍融與疲勞荷載耦合會明顯加速ITZ處裂紋的劣化速度，同時也會使微裂紋結構變得更復雜[7]。Gong等[40]采用剛性彈簧法對混凝土進行微觀結構分析。采用不同的凍融循環(huán)次數(shù)和不同的破壞形式，對凍融破壞的混凝土進行了疲勞試驗，結果表明，隨著凍融破壞程度的增大，其疲勞壽命逐漸下降。

羅國寶[17]通過三點彎曲疲勞試驗和凍融循環(huán)試驗，發(fā)現(xiàn)當應力水平相同時，透水混凝土相同疲勞循環(huán)時的疲勞損傷會隨著初始損傷的增大而增大；當疲勞損傷相同時，凍融次數(shù)與疲勞壽命呈反比，并建立了關于疲勞損傷隨循環(huán)數(shù)的相關方程。

疲勞荷載分析是評價透水混凝土疲勞壽命和材料性能的重要方法，國內外學者關于凍融與疲勞荷載的耦合造成的破壞研究甚少，綜合現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)當ITZ處在經受兩者耦合作用時會加速微觀裂紋的衍變，使內部孔隙結構逐漸斷裂，從而最終遭受破壞。

5.3 凍融與干濕循環(huán)耦合作用

凍融-酸雨干濕循環(huán)可導致樣品產生鈣、硫元素，侵蝕區(qū)變得粗糙，并形成大簇針狀鈣礬石晶體，并從中間向外放射；且質量損失率、超聲波波速損失和透水性呈現(xiàn)梯狀上升，相對動彈性模量快速下降[8]。

Gao等[41]采用干-濕循環(huán)法模擬了酸雨的侵蝕作用，發(fā)現(xiàn)經過酸雨侵蝕后的透水混凝土孔隙中存在更多的晶體，抗壓強度和抗彎強度相比于對照組分別降低了30.7%和40.8%。且隨著酸雨浸泡時間的一直延長，反應后溶液的pH值會慢慢變小，透水混凝土質量、強度損失和透水系數(shù)也會逐漸增大[42]。

通過分析國內外關于透水混凝土凍融-干濕循環(huán)耦合作用發(fā)現(xiàn)內部微觀孔隙率先會受到酸雨的侵蝕，在孔隙內部產生大量鈣礬石晶體，促使孔隙處強度逐漸降低，再加上凍融造成的孔隙壓力，從而使透水混凝土凍融破壞更加嚴重。

6 結論

透水混凝土作為一種新型建筑材料，引起國內外學者的廣泛關注。而凍融損傷一直是影響其在嚴寒地區(qū)使用的主要因素，通過分析總結國內外透水混凝土微細觀凍融損傷研究現(xiàn)狀，以便更好的提升內部微觀結構性能，使其在全國大范圍推廣使用，但如下問題應該引起重視：

(1)雖然目前已經有大量的宏微觀研究對透水混凝土的抗凍性能進行探討，但還需要從微觀層面深入探討改性機理和水化規(guī)律，研究其對微觀孔隙的影響，為制備高凍融耐久性透水混凝土奠定基礎。

(2)目前，研究學者們對透水混凝土凍融與荷載耦合作用雖有涉及，但相關研究成果較少，需繼續(xù)對兩者耦合進行一定的微觀結構分析，并建立凍融與疲勞荷載相關方程，為實際過程中的應用提供參考。

(3)不同的顆粒級配會形成各種形狀的孔隙，而不同形狀的孔隙在凍融下也會產生不同程度的破壞，但無法準確描述孔隙實際形狀，孔隙特征不好說明，應根據模擬凍融損傷進一步判斷孔隙形狀及大小，并分析孔隙形狀與透水混凝土微觀結構之間的關系。

(4)對于透水混凝土與其他因素的耦合作用，盡管現(xiàn)階段研究者模擬了多種情況的耦合，但普遍認為透水混凝土的多孔結構極易遭受堵塞，當內部出現(xiàn)孔隙堵塞后產生凍融，對界面過渡區(qū)處微觀結構也會產生一定影響，但是針對此現(xiàn)象，很少有文獻闡述。